王成俊 ，張磊 ，展轉(zhuǎn)盈 ，倪軍 ，高怡文 ，王維波

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）油氣勘探開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.西安石油大學(xué)陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；4.西安石油大學(xué)西安市致密油（頁(yè)巖油）開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；5.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

在低滲透油藏的開(kāi)采初期，水力壓裂形成的大裂縫可以大幅提高油井的產(chǎn)量［1-12］，但在注水開(kāi)發(fā)階段，大裂縫就會(huì)成為油井水竄的通道，此時(shí)，要高效開(kāi)發(fā)這類(lèi)油藏，須合理封堵大裂縫水竄通道［13］。封堵大裂縫要求堵劑的強(qiáng)度高、運(yùn)移能力好，并能長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。從長(zhǎng)慶油田和延長(zhǎng)油田的礦場(chǎng)統(tǒng)計(jì)看，應(yīng)用最普遍的堵劑是凝膠顆粒［14-15］和聚合物本體凝膠體系［16-18］。由于凝膠顆粒是分散的個(gè)體，在注入水的沖刷下，不能在大裂縫通道中保持穩(wěn)定，在實(shí)際礦場(chǎng)應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)凝膠顆粒從油井被采出的情況。聚合物本體凝膠具有連續(xù)性和整體性，但其力學(xué)強(qiáng)度偏弱，注入水易突破，會(huì)再次形成水竄帶。

為此，本文基于凝膠顆粒與聚合物本體凝膠的優(yōu)缺點(diǎn)，首先用凝膠顆粒將大裂縫通道轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫最w粒介質(zhì)通道，再利用聚合物本體凝膠將分散的單個(gè)凝膠顆粒固結(jié)；通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，將二者聯(lián)合使用，增強(qiáng)了聚合物堵劑的強(qiáng)度，提高了大尺度裂縫的封堵成功率。隨后開(kāi)展的礦場(chǎng)應(yīng)用表明，這一技術(shù)為裂縫性低滲透油藏的持續(xù)開(kāi)發(fā)提供了有力支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

凝膠顆粒由實(shí)驗(yàn)室制備［19］。聚合物本體凝膠體系由部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）與交聯(lián)劑組成。HPAM產(chǎn)自北京恒聚化工公司，其相對(duì)分子質(zhì)量為2 000×104，水解度為24%。交聯(lián)劑為醋酸鉻，其中的Cr3+質(zhì)量濃度為8 000 mg/L。模擬地層水由10 000 mg/L的NaCl與蒸餾水配制而成。天然露頭巖心來(lái)自陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)公司研究院，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，滲透率為1.3×10-3μm2。人造巖心來(lái)自中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30.0 cm，滲透率為 2 000.0×10-3～9 000.0×10-3μm2。人造裂縫性巖心制作方法［20］為：將滲透率為1.3×10-3μm2的天然露頭巖心沿長(zhǎng)度方向從中間切開(kāi)，隨后在裂縫表面均勻充填8目的石英砂5 g，在圍壓為5 MPa下的裂縫開(kāi)度為1.8 mm?？梢暬芽p模型購(gòu)置于青島石大華通科技有限公司，由無(wú)色透明的有機(jī)玻璃材料制作而成，可以直接觀察流體或者顆粒在其中的流動(dòng)?？梢暬Ｐ土芽p開(kāi)度為1.8 mm、寬度為4.5 cm、長(zhǎng)度為30.0 cm。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為常規(guī)驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置［21-22］，包括驅(qū)替泵、恒溫箱、六通閥、中間容器、巖心夾持器、管線(xiàn)、液體計(jì)量?jī)x等組成部件。注入流量為0.01～10.00mL/min，系統(tǒng)工作壓力小于50MPa。AntonPaarMCR302流變儀采用平板模型測(cè)試凝膠的強(qiáng)度。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.2.1 凝膠顆粒在裂縫中的注入壓力隨注入體積的變化

實(shí)驗(yàn)中所用凝膠顆粒粒徑分別為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mm，裂縫開(kāi)度為1.8 mm。用模擬地層水配制質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的凝膠顆粒溶液，以2.0 mL/min的速度注入裂縫模型中。根據(jù)注入壓力與注入體積的變化關(guān)系可以篩選出與裂縫相匹配的凝膠顆粒粒徑。

1.2.2 不同注入?yún)?shù)下凝膠顆粒在裂縫中的分布特征

基于1.2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定合適的凝膠顆粒粒徑。凝膠顆粒注入?yún)?shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了6組：方案①，凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度1 000 mg/L、注入速度8.0 mL/min；方案②，凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度2000mg/L、注入速度4.0mL/min；方案③，凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度4 000 mg/L、注入速度2.0 mL/min；方案④，凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度8 000 mg/L、注入速度1.0 mL/min；方案⑤，凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度16 000 mg/L、注入速度0.5 mL/min；方案⑥，凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度40 000 mg/L、注入速度0.2 mL/min。每組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)保持凝膠顆粒的質(zhì)量流量均為80 mg/min。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察凝膠顆粒在裂縫中的分布特征、前緣推進(jìn)特征等，從而優(yōu)化出最佳的注入?yún)?shù)。

1.2.3 聚合物本體凝膠體系在顆粒介質(zhì)中的封堵強(qiáng)度

基于1.2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定優(yōu)化的注入?yún)?shù)，向人造裂縫性巖心注入凝膠顆粒，直至顆粒充填整條裂縫。當(dāng)裂縫介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z顆粒形成的多孔顆粒介質(zhì)后，可通過(guò)達(dá)西公式計(jì)算其形成的多孔顆粒介質(zhì)的滲透率。

由于裂縫性巖心中的裂縫體積較小，形成的多孔顆粒介質(zhì)的孔隙體積小，后續(xù)難以對(duì)其開(kāi)展封堵評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，因此，選擇滲透率與之相等的人造巖心代替多孔顆粒介質(zhì)。

在后續(xù)注入聚合物本體凝膠之前，利用流變儀測(cè)試聚合物本體凝膠體系成膠之后的強(qiáng)度，利用驅(qū)替裝置測(cè)試聚合物本體凝膠體系在多孔顆粒介質(zhì)中的封堵強(qiáng)度（突破壓力梯度）。當(dāng)所優(yōu)選的聚合物本體凝膠體系在多孔顆粒介質(zhì)中的封堵強(qiáng)度大于注入水（注水速度均為0.5 mL/min）在裂縫性巖心基質(zhì)中的流動(dòng)阻力梯度時(shí)，裂縫通道即被完全封堵，巖心基質(zhì)中的剩余油則能被啟動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 凝膠顆粒粒徑優(yōu)選

在開(kāi)度為1.8 mm裂縫中，凝膠顆粒注入壓力隨注入體積的變化如圖1所示。當(dāng)凝膠顆粒粒徑為1.5 mm時(shí)，顆粒的流動(dòng)阻力較低；當(dāng)凝膠顆粒粒徑為3.5 mm時(shí)，顆粒的流動(dòng)阻力急劇上升，因?yàn)轭w粒粒徑過(guò)大，導(dǎo)致顆粒堆積在入口端；當(dāng)凝膠顆粒粒徑在2.0～3.0 mm時(shí)，顆粒能在裂縫內(nèi)流動(dòng)，且流動(dòng)阻力較高。在凝膠顆粒粒徑2.0～3.0 mm范圍內(nèi)，顆粒的注入壓力與流動(dòng)阻力的平衡點(diǎn)（圖1中虛線(xiàn)圈位置）隨著粒徑的增加而向右移動(dòng)，顆粒在裂縫中的存留量隨著粒徑的增加而增加，這說(shuō)明在凝膠顆粒進(jìn)入裂縫后，大的粒徑更有利于封堵。雖然如此，對(duì)比粒徑分別為2.0，2.5，3.0 mm的凝膠顆粒，可知其流動(dòng)阻力梯度分別為1.50，2.25，4.25 MPa/m，當(dāng)開(kāi)展大規(guī)模深部調(diào)剖時(shí)，3.0 mm粒徑的凝膠顆粒所需的施工壓力會(huì)過(guò)高，因此，考慮施工安全、管線(xiàn)承壓能力等風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用粒徑為2.5 mm的凝膠顆粒。

2.2 凝膠顆粒注入?yún)?shù)優(yōu)化

在凝膠顆粒溶液質(zhì)量流量相同、注入方案不同的條件下，粒徑為2.5 mm的凝膠顆粒在裂縫中的鋪展分布特征如圖2所示。從圖中可以看出：凝膠顆粒在裂縫中的存留量隨著注入凝膠顆粒溶液的質(zhì)量濃度增加、注入速度降低而不斷增加；在適當(dāng)?shù)哪z顆粒溶液質(zhì)量濃度和注入速度下，凝膠顆粒既可以較為緊密地分布在裂縫中，也具有一定的流動(dòng)能力（見(jiàn)圖2d）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案④的注入?yún)?shù)（凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度8 000 mg/L、注入速度1.0 mL/min）與裂縫尺度相匹配。基于凝膠顆粒在圖2d中的分布，測(cè)得凝膠顆粒在裂縫表面的鋪展?jié)舛葹?.4 mg/cm2。此外，觀察方案④凝膠顆粒的前緣推進(jìn)特征發(fā)現(xiàn)，凝膠顆粒前緣呈活塞式推進(jìn)，再結(jié)合凝膠顆粒在裂縫中的鋪展面積和注入體積，可以計(jì)算出凝膠顆粒的運(yùn)移深度。

2.3 聚合物本體凝膠體系優(yōu)選

依據(jù)方案④開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，基于凝膠顆粒在裂縫表面的鋪展?jié)舛?，注?20 mg的凝膠顆粒即可確保整條裂縫被充填，從而使得裂縫介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫最w粒介質(zhì)。根據(jù)凝膠顆粒注入前后的壓差，計(jì)算所形成的多孔顆粒介質(zhì)的滲透率為2 300.0×10-3μm2。隨后，選擇滲透率為2300.0×10-3μm2的人造巖心開(kāi)展后續(xù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

滲透率為1.3×10-3μm2的裂縫性巖心基質(zhì)，在注入速度為0.5 mL/min時(shí)的注水壓力梯度為3.3 MPa/m。因此，在0.5 mL/min的水驅(qū)速度下，聚合物本體凝膠體系在滲透率為2 300.0×10-3μm2的多孔顆粒介質(zhì)中的突破壓力梯度需高于3.3MPa/m?；诹髯儨y(cè)試和突破壓力測(cè)試，當(dāng)聚合物本體凝膠的強(qiáng)度大于66 Pa時(shí)，其在滲透率為2 300.0×10-3μm2的人造巖心中的突破壓力梯度大于3.3 MPa/m，從而可以完全封堵多孔顆粒介質(zhì)，進(jìn)而啟動(dòng)基質(zhì)中的剩余油。依據(jù)堵劑的強(qiáng)度要求，聚合物本體凝膠體系的組成為質(zhì)量濃度4 000 mg/L的HPAM+質(zhì)量濃度150 mg/L的Cr3+。

3 礦場(chǎng)應(yīng)用

3.1 井區(qū)概況

5088-3注水井位于延長(zhǎng)油田志丹縣樊川區(qū)5098井區(qū)，主要含油層為長(zhǎng)6組，油層平均有效厚度為7.7 m，基質(zhì)平均滲透率為2.4×10-3μm2，油層溫度為45℃。該井于2004年8月壓裂投產(chǎn)，于2005年12月轉(zhuǎn)注。吸水剖面測(cè)試結(jié)果顯示，5088-3井在1 754.2～1 759.6 m處的注水段存在明顯的指進(jìn)現(xiàn)象，該層段壓裂裂縫較大，吸水剖面嚴(yán)重不均勻。結(jié)合砂體連通情況和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析，5088-3井組（除5088-3注水井外，還包括5088，5088-1，5088-2，5088-5，5088-7，5098-6，5078-6，5395-1等油井）存在較大的人工裂縫，在井組注水后，存在見(jiàn)效快、見(jiàn)水快、水淹快，以及“一停則多?！钡奶攸c(diǎn)。目前，5088，5088-1，5088-5，5098-6，5088-2 井均為特高含水井（含水率大于98%），注入水在油水井間低效或無(wú)效循環(huán)?；趲r心取樣和示蹤劑測(cè)試，井組中的主流裂縫的平均開(kāi)度為 1.8 mm［23］。

3.2 調(diào)剖施工設(shè)計(jì)

5088-3井組調(diào)剖施工面臨的首要問(wèn)題是“堵不住”，因此，采用凝膠顆粒與聚合物本體凝膠聯(lián)合封堵的調(diào)剖方式。調(diào)剖施工設(shè)計(jì)方案及目的是：1）采取籠統(tǒng)注入的方式，與注水方式一致，不動(dòng)管柱。2）凝膠顆粒注入。結(jié)合示蹤劑測(cè)試的裂縫體積，依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化方案，利用CMG軟件的STARS模塊設(shè)計(jì)不同的工藝參數(shù)，優(yōu)選出模擬結(jié)果最佳的一組［24-25］，即凝膠顆粒粒徑為2.5 mm、凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度為8 000 mg/L、注入速度為2.5 m3/h、注入量為240 m3。3）聚合物本體凝膠注入。結(jié)合室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CMG軟件的模擬結(jié)果，優(yōu)選聚合物本體凝膠體系的組成，即質(zhì)量濃度4 000 mg/L的HPAM+質(zhì)量濃度150 mg/L的Cr3+，以保證凝膠強(qiáng)度能封堵多孔顆粒介質(zhì)。設(shè)計(jì)注入量為120 m3，注入速度為1.0 m3/h，這樣的小排量、低壓力條件下，使得凝膠顆粒在裂縫中的分布狀態(tài)不易發(fā)生改變。另外，為防止壓開(kāi)地層和破壞管柱，設(shè)計(jì)注入壓力小于20 MPa（低于地層壓力80%）。同時(shí)，計(jì)劃在施工結(jié)束后，配注12 m3/d，井口注入壓力低于16 MPa。

基于以上設(shè)計(jì)的調(diào)剖施工曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：在凝膠顆粒注入階段，注入壓力平緩，逐步上升，說(shuō)明凝膠顆粒逐漸地進(jìn)入裂縫深部，且能較均勻地分布；在聚合物本體凝膠體系注入階段，壓力同樣也是緩慢增加的，說(shuō)明該體系也是比較平緩地進(jìn)入多孔顆粒介質(zhì)中的。施工結(jié)束后，關(guān)井候凝5 d，再次開(kāi)井正常注水時(shí)，配注12 m3/d，注入壓力為12.5 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 調(diào)剖效果分析

表1為5088-3井組調(diào)剖施工前后的生產(chǎn)情況。由表 1可知，5395-1，5088-7，5088-1等 3口裂縫性水竄井取得較為明顯的增油效果，其他井組產(chǎn)油量也有一定程度增加。整個(gè)井組平均增油量為2.44 t/d，有效期大于160 d。這說(shuō)明采用該調(diào)剖方法可以較好地封堵大尺度裂縫。

表1 5088-3井組調(diào)剖前后的油井生產(chǎn)情況

4 結(jié)論

1）凝膠顆粒既可以增強(qiáng)聚合物本體凝膠的強(qiáng)度，又可以充填裂縫，將裂縫介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫最w粒介質(zhì)，利于后續(xù)聚合物本體凝膠對(duì)裂縫的封堵；反過(guò)來(lái)，聚合物本體凝膠則可以將分散的單個(gè)凝膠顆粒固結(jié)。

2）對(duì)于開(kāi)度為1.8 mm的裂縫，當(dāng)凝膠顆粒粒徑為2.5 mm、凝膠顆粒溶液質(zhì)量濃度為8 000 mg/L、注入速度為1.0 mL/min時(shí)，凝膠顆?？梢栽诹芽p表面均勻密集地鋪展，鋪展?jié)舛葹?.4 mg/cm2，并呈活塞式向前推進(jìn)。注入320 mg凝膠顆粒即可充填整條裂縫，然后，基于壓力變化計(jì)算出多孔顆粒介質(zhì)的滲透率，據(jù)此選擇對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的聚合物本體凝膠。

3）將裂縫介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫最w粒介質(zhì)的調(diào)剖方法在延長(zhǎng)油田5088-3井組的應(yīng)用取得了較好的增產(chǎn)效果，可為高含水的裂縫性低滲透油藏持續(xù)高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。